Luận án Tiến sĩ: Ảnh hưởng phonon giam cầm lên hiệu ứng Hall hệ bán dẫn thấp chiều

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------------------- PHẠM NGỌC THẮNG LÝ THUYẾT LƯỢNG TỬ VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA PHONON GIAM CẦM LÊN HIỆU ỨNG HALL TRONG CÁC HỆ BÁN DẪN THẤP CHIỀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ HỌC HÀ NỘI – 2023 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------------------- PHẠM NGỌC THẮNG LÝ THUYẾT LƯỢNG TỬ VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA PHONON GIAM CẦM LÊN HIỆU ỨNG HALL TRONG CÁC HỆ BÁN DẪN THẤP CHIỀU Chuyên ngành: Vật lí lí thuyết và vật lí toán Mã số: 9440130.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. Lê Thái Hưng HÀ NỘI – 2023 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu được nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Phạm Ngọc Thắng LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến GS.

Nguyễn Quang Báu, PGS. Lê Thái Hưng, những người thầy đã hết lòng giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Đặc biệt là GS. Nguyễn Quang Báu người đã trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án.

Sự hiểu biết sâu sắc về khoa học, cách chỉ bảo tận tình của Thầy đã giúp tôi có được những kĩ năng tính toán quan trọng và những kinh nghiệm quý giá trong nghiên cứu khoa học. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong Bộ môn Vật lí lí thuyết, khoa Vật lí, những người đã đóng góp các ý kiến khoa học về kết quả của luận án. Em xin cảm ơn sự quan tâm của Phòng, Ban và khoa Vật lí, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, động viên của Ban giám hiệu, các thầy cô, các đồng nghiệp trong tổ bộ môn Vật lí Trường THPH Chu Văn An và Sở Giáo dục và Đào tạo Hà Nội.

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn tất cả những người thân trong gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn luôn động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Tác giả luận án Phạm Ngọc Thắng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC. 1 BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH - VIỆT VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT. 3 DANH MỤC MỘT SỐ KÍ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN.

4 DANH MỤC CÁC BẢNG. 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT LƯỢNG TỬ VỀ HIỆU ỨNG HALL TRONG BÁN DẪN KHỐI VÀ HÀM SÓNG, PHỔ NĂNG LƯỢNG CỦA ĐIỆN TỬ VÀ SỰ GIAM CẦM CỦA PHONON TRONG HỆ THẤP CHIỀU. Lý thuyết lượng tử về hiệu ứng Hall trong bán dẫn khối.

Phương trình động lượng tử cho điện tử trong bán dẫn khối khi đặt trong điện trường và từ trường vuông góc với sự có mặt của sóng điện từ. Biểu thức giải tích cho hệ số Hall. Hàm sóng, phổ năng lượng của điện tử và sự giam cầm của phonon trong hệ thấp chiều. Hàm sóng và phổ năng lượng của điện tử.

Sự giam cầm của phonon. ẢNH HƯỞNG CỦA PHONON GIAM CẨM LÊN HIỆU ỨNG HALL TRONG HỐ LƯỢNG TỬ. Biểu thức giải tích của từ trở Hall, tenxơ độ dẫn Hall và hệ số Hall .1 Ảnh hưởng sự giam cầm của phonon âm.2 Ảnh hưởng sự giam cầm của phonon quang. Kết quả tính số, vẽ đồ thị và thảo luận.

Kết luận chương 2. ẢNH HƯỞNG CỦA PHONON GIAM CẨM LÊN HIỆU ỨNG HALL TRONG SIÊU MẠNG PHA TẠP. Biểu thức giải tích của từ trở Hall, tenxo độ dẫn Hall và hệ số Hall. Kết quả tính số, vẽ đồ thị và thảo luận.

Kết luận chương 3. ẢNH HƯỞNG CỦA PHONON GIAM CẨM LÊN HIỆU ỨNG HALL TRONG DÂY LƯỢNG TỬ HÌNH TRỤ VỚI HỐ THẾ CAO VÔ HẠN. Biểu thức giải tích của từ trở Hall, tenxo độ dẫn Hall và hệ số Hall. Ảnh hưởng sự giam cầm của phonon âm .2 Ảnh hưởng sự giam cầm của phonon quang.

Kết quả tính số, vẽ đồ thị và thảo luận. Kết luận chương 4. 92 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN. 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

96 PHỤ LỤC 2 BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH - VIỆT VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tiếng Anh Tiếng Việt Viết tắt Zero dimension Không chiều 0D One dimension Một chiều 1D Two dimensions Hai chiều 2D Three dimensions Ba chiều 3D Semiconductor superlattice Siêu mạng bán dẫn SSL Compositional semiconductor Siêu mạng bán dẫn hợp CSSL superlattice phần Doped semiconductor superlattice Siêu mạng bán dẫn pha tạp DSSL Parabolic quantum well Hố lượng tử parabol PQW Quantum well Hố lượng tử QW Square quantum well Hố lượng tử vuông góc SQW Optical phonon Phonon quang Acoustic phonon Phonon âm Vacuum permittivity Độ cảm chân không Acoustic deformation potential Thế biến dạng âm Electron form factor Thừa số dạng electron Magnetoconductivity Độ dẫn từ Magnetoresistance Từ trở Hall conductivity Độ dẫn Hall Hall resistance Điện trở Hall Hall coefficient Hệ số Hall 3 DANH MỤC MỘT SỐ KÍ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN Đại lượng Ký hiệu Bán kính cyclotron 𝑙𝐵 Chu kì siêu mạng d Độ rộng hố lượng tử L Bán kính dây lượng tử R Tần số cyclotron 𝜔𝑐 Tần số phonon quang không tán sắc 𝜔0 Tần số sóng điện từ phân cực 𝜔 Tần số plasma đặc trưng cho DSSL 𝜔𝑝 Tần số giam giữ đặc trưng của PQW 𝜔𝑧 Chỉ số mức Landau N Chỉ số mini vùng n Điện trường không đổi E1 Biên độ sóng điện từ E0 Từ trường B Điện tích e Hằng số Boltzmann kB Hằng số Planck rút gọn ℏ = ℎ/(2𝜋) Hằng số điện (độ cảm chân không) 𝜅 Thời gian phục hội xung lượng của điện tử 𝜏 Khối lượng hiệu dụng/ khối lượng ở trạng thái tự do 𝑚𝑒 /𝑚0 của electron Mật độ khối lượng vật liệu 𝜌 Vận tốc sóng âm 𝜐𝑠 4 Mật độ electron n0 Năng lượng Fermi 𝜀𝐹 Năng lượng của photon ℏ𝜔 Năng lượng của phonon ℏ𝜔𝑞⃗ Các thành phần của độ dẫn Hall 𝜎𝑥𝑥 , 𝜎𝑦𝑥 Từ trở 𝜌𝑥𝑥 Hệ số Hall RH Độ thẩm điện môi cao tần/tĩnh 𝜒∞ /𝜒0 Tần số sóng điện từ  5 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2. Các tham số của hố lượng tử GaAs/AlGaAs. Các tham số của siêu mạng pha tạp GaAs:Be/GaAs:Si. Các tham số dùng trong tính số.

84 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1. Sơ đồ hiệu ứng Hall trong một thanh vật dẫn. Hiệu ứng Hall lượng tử trong hệ chuẩn hai chiều. Sự phụ thuộc của từ trở xx vào từ trường B trong trường hợp phonon giam cầm (đường gạch đứt nét và đường chấm chấm) và phonon khối (đường liền nét) với E1 = 3  105 V m , L = 15nm.

Sự phụ thuộc của từ trở xx vào tỷ số  / c trong trường hợp phonon giam cầm (đường gạch đứt nét và đường chấm chấm) và phonon khối (đường liền nét) với E1 = 105 V m , L = 15nm. Sự phụ thuộc của từ trở xx vào độ rộng của hố lượng tử tại các giá trị khác nhau của từ trường B trong trường hợp phonon giam với T=4K và E 0 = 2  105 V m; E1 = 3  105 V m. Sự phụ thuộc của hệ số Hall ngang vào từ trường trong trường hợp phonon quang giam cầm (đường cong nét đứt) và phonon chưa giam cầm (đường cong nét liền). Sự phụ thuộc của hệ số Hall ngang vào tần số của bức xạ laser trong trường hợp phonon quang giam cầm (đường cong nét đứt) và phonon chưa giam cầm (đường cong nét liền).

Sự phụ thuộc của hệ số Hall R H vào từ trường B trong siêu mạng pha tạp trường hợp phonon giam cầm (đường màu đỏ và màu xanh lục) và trường hợp phonon khối (đường màu xanh lá) trong đó: E1=105V/m, T=100K, d=20nm, nD=1023m-3. Sự phụ thuộc của từ trở vào tỉ số  / c trong trường hợp phonon giam cầm (đường liền nét màu đỏ và đường nét đứt gạch) và phonon khối 7 (đường nét đứt chấm), với E1 = 105 V/m, T = 2K, B = 3T, d = 20nm, n D = 3. Sự phụ thuộc của hệ số Hall vào tần số sóng điện từ trong siêu mạng pha tạp trường hợp phonon giam cầm (đường màu đỏ) và phonon không giam cầm (đường màu xanh nét đứt) trong đó: E1=105V/m, T=100K, d=20nm, nD=1023m-3. Sự phụ thuộc của hệ số Hall vào cường độ trường laser Eo trong siêu mạng pha tạp trường hợp phonon giam cầm (đường màu xanh lục và xanh lá) và phonon khối (đường màu đỏ) trong đó : T=100K, d=20nm, nD=1023m-3.

Sự phụ thuộc của hệ số Hall vào nhiệt độ T trong siêu mạng pha tạp trường hợp phonon giam cầm(đường màu xanh lục và xanh lá) và phonon khối (đường màu đỏ) trong đó: E1=105V/m, d=20nm, nD=1023m-3. Ảnh hưởng của từ trường lên ten – xơ độ dẫn trong trường hợp tán xạ điện tử - phonon âm giam cầm (m1= m2 = 0; 1) và phonon của bán dẫn khối trong dây lượng tử GaAs/GaAsAl. Sự phụ thuộc của hệ số Hall vào nhiệt độ. Sự phụ thuộc của hệ số Hall vào bán kính của dây lượng tử.

Sự phụ thuộc của tenxo độ dẫn vào năng lương cyclotron với phonon giam cầm (đường nét liền màu đen) và phonon chưa giam cầm (đường nét gạch gạch màu xanh). Sự phụ thuộc của hệ số Hall vào biên độ của sóng điện từ vớiphonon giam cầm m1 = 2, m2 = 2 (đường nét gạch gạch màu xanh) và phonon chưa giam cầm m1 = 0, m2 = 0 (đường nét chấm chấm màu đỏ). Lý do chọn đề tài Với sự phát triển của khoa học kĩ thuật đã xuất hiện nhiều phương pháp tạo ra các hệ có cấu trúc nano khác nhau, chẳng hạn như phương pháp epitaxy dòng phân tử (MBE-molecular beam epitaxy) và kết tủa hơi kim loại hóa hữu cơ (MOCID-metal organic chemical Vapor Deposition). Ngày nay, đã tồn tại các hệ cấu trúc nano phẳng 2 chiều như màng mỏng, cấu trúc lớp, hố lượng tử, siêu mạng…, hệ cấu trúc nano 1 chiều như ống nano, dây lượng tử…, hệ không chiều như nhóm tinh thể, chấm lượng tử… Đây là những loại vật liệu quan trọng.

Trong các đối tượng mới nêu trên, chuyển động của hạt dẫn bị giới hạn nghiêm ngặt dọc theo các tọa độ nào đó với một vùng rất hẹp vào cỡ bậc của bước sóng De 0 Broglie (nghĩa là không qúa vài trăm A ).